近期，我國將用“長征五號”大型運載火箭發(fā)射首枚火星探測器“天問一號”，舉世矚目。
一次發(fā)射實現(xiàn)“繞著巡”
“天問一號”火星探測任務的最大亮點是通過一次發(fā)射實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項任務，即一次完成“繞著巡”。這在人類火星探測史上是前所未有的。
采用這種“一舉三得”的探火方式，起點高、效益高，但挑戰(zhàn)大，目前只有美國完成過“一舉兩得”的探火方式。如果成功了，我國將在深空探測能力上實現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界上第三個在火星著陸、第二個在火星巡視的國家。
至今，人類共實施了44次探火活動，其中完全成功的探測任務只有19次，成功率約43%；即使算上部分成功的，也僅僅只有23次，成功率約53%。所以，火星被稱為“探測器墳場”。失敗的主要原因是火星距離遠、環(huán)境新，因此需要攻克一系列難關，每個環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)閃失，對于中國“天問一號”火星探測器來說更是如此。
為此，我國采取了多項新措施、新技術來應對挑戰(zhàn)。
例如，發(fā)射火星探測器要用大推力運載火箭把探測器加速到至少11.2千米/秒的第二宇宙速度，直接進入地火轉(zhuǎn)移軌道飛往火星，否則就需要消耗探測器自身燃料和較多的飛行時間來加速，從而會影響探測器壽命。印度在發(fā)射“曼加里安”火星探測器時，就是由于運載火箭推力小，所以“曼加里安”只能采用后一種方案，多花了很多時間和燃料才抵達火星。
我國將采用“長征五號”遙四運載火箭發(fā)射“天問一號”火星探測器。由于“長征五號”的地火轉(zhuǎn)移軌道運載能力是5噸，而“天問一號”的質(zhì)量為5噸，所以“長征五號”是可以把“天問一號”直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道的。
眾所周知，地球和火星都是繞著太陽運行，地球在里圈運行，運行得快；火星在外圈運行，運行得慢。所以，地球與火星之間的距離是不斷變化的，最近的時候有5500萬公里，最遠的時候在4億公里以上。這比地球到月球的距離要遠100多倍甚至1000倍。由于信號的強度與距離的平方成反比，而火星距地球太遙遠，從探測器上發(fā)出電波經(jīng)過幾億千米再傳到地球后會十分微弱，再加上宇宙中的噪聲，所以很容易把傳輸信號淹沒掉。
由于天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑可以增加探測距離。為此，我國探火的測控通信網(wǎng)采用了直徑較大的收發(fā)天線。這次參與遙測、遙控“天問一號”火星探測器的深空測控系統(tǒng)主要有黑龍江佳木斯66米直徑天線測控站和新疆喀什35米直徑天線測控站等，以及甚長基線干涉測量（VLBI）分系統(tǒng)和必要的國際聯(lián)網(wǎng)等。我國還在天津武清新建了一個主反射面直徑70米的高性能接收天線，這是亞洲最大的單口徑全可動天線，它能可靠地接收“天問一號”發(fā)回來的科學數(shù)據(jù)，并進行處理、解譯和研究。
攻克“恐怖7分鐘”難關
探測器在火星表面軟著陸是火星探測中最難的，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”，先是氣動減速段，然后是傘降減速段，接著是動力減速段，最后是著陸緩沖段。這幾個階段都必須嚴格按程序執(zhí)行，否則“滿盤皆輸”。
為了安全著陸火星，2019年11月14日，我國在位于河北懷來亞洲最大的地外天體著陸綜合試驗場，成功模擬了著陸器在火星重力環(huán)境下（火星重力加速度約為地球的1/3）懸停、避障、緩速下降的過程，對其設計正確性進行了綜合驗證，也為火星探測任務的如期實施奠定了堅實的基礎。
由于火星環(huán)境復雜、惡劣，探測器在著陸后也不是萬事大吉。例如，因為火星探測器遠離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱；而且火星上溫度很低，赤道上的平均溫度只有-23°C，這些對火星車的能源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等提出了很高的要求。
據(jù)我國火星車專家賈陽撰文介紹，我國火星車除裝有光電轉(zhuǎn)換效率較高的4塊太陽電池板外，在其頂部還裝有一個像雙筒望遠鏡樣子的設備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然后利用一種叫作正十一烷的物質(zhì)儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質(zhì)吸熱融化，到了晚上溫度下降，這種物質(zhì)在凝固的過程中釋放熱能，這樣效率可以達到80%以上。
探索人類未來“第二個家園”
火星是太陽系中與地球最相似且距離較近的行星。例如，火星的一天約為24.6小時，與地球十分接近；火星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面傾角約為65°，所以存在四季變化，這也和地球相似；火星大氣很稀薄，以二氧化碳為主，壓力大約只有地球的1%；雖然火星表面溫度平均僅為-63℃，但夏天陽光直射區(qū)域溫度可以上升到約20℃，赤道附近的極端最高溫度則有可能達到30℃左右。
因此，從全人類的高度講，探測火星、了解火星的起源和演化，有助于人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，預測地球的未來變化趨勢，促進人類對地球生命乃至太陽系的起源和演化的研究，以及了解人類在宇宙中的地位和最終命運。
了解火星本身也很重要。因為大量跡象表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經(jīng)過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個樣子。所以不少天文學家推斷，火星可能是地球的未來。因此，深入探測、了解火星，對研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的家園具有促進作用。
從更長遠看，地球?qū)砗苡锌赡軙馐艿赝庑乔虻淖矒舳鴼?。因此有些科學家認為可先把火星改造成適合人類居住的第二個家園，然后向火星移民。為此，現(xiàn)在就必須逐漸全面而深入地了解火星才行，為改造火星、建造火星基地奠定基礎、做好準備。所以，探測火星意義重大。
“天問一號”使用大量“黑科技”
近些年來，隨著科技、經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國已在月球探測方面取得了長足的進步，為技術難度更大的火星探測奠定了堅實的基礎。通過探測火星，能深化我國對火星乃至太陽系的科學認知，推進比較行星學等重大問題研究，掌握火星的第一手信息，加速我國重大原創(chuàng)性的空間科學成果問世，為人類全面而深入認識火星做出自己的貢獻，使我國由火星知識的使用國逐步變成火星知識的產(chǎn)生國。
“天問一號”的環(huán)繞器攜帶了7臺科學載荷，可用于對火星開展全球性、普查性綜合探測，并為巡視器提供中繼通信鏈路；火星車攜帶了6臺科學載荷，可用于在著陸區(qū)開展區(qū)域性、精細性巡視探測。所以，從科學上講，“天問一號”是對火星形態(tài)、地質(zhì)學、礦物學、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進行研究的最全面的任務。
另外，通過“天問一號”探測火星，不僅能極大拓展我國對火星的認知，而且可以牽引和帶動我國航天和相關高科技技術的快速發(fā)展。這次火星探測起點很高、難度極大，必須采用許多新技術才行，因此它帶動了不少新技術、新材料和新器件的發(fā)展，促進了大批創(chuàng)造性的發(fā)明和技術應用。
據(jù)悉，在“天問一號”火星探測器中，就使用了我國獨立自主研發(fā)的多項“黑科技”，例如，火星車使用的熱控材料是新型保溫材料——納米氣凝膠，它很輕，隔熱性能很好。這些新技術、新材料和新器件等反過來又可用于國計民生，為國家經(jīng)濟社會發(fā)展、人類生活質(zhì)量改善提供源源不斷的創(chuàng)新活力。
